CN105863695A - 一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆及其组装方法，该组合锚杆的外锚模块由外锚端、锚管及其连接件锚墩组成，通过锚固剂与钻孔壁粘结起到全长粘结式锚杆的作用；内锚模块由外锚端、锚墩、弹簧和螺杆组成，螺杆在外锚端的牵引下压缩内锚弹簧，将锚固力分散作用于各个锚墩，锚墩再将该作用力以压力的形式传递给锚固剂，从而起到压力分散型锚杆的作用；内锚模块在锚管断裂前与外锚模块呈并联关系，对围岩起到辅助锚固作用，在锚管断裂后对围岩进行缓冲让压与及时的二次高强支护。

Description

一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆及其组装方法

技术领域

本发明涉及岩土工程支护技术领域，特别是针对高应力大变形或具有冲击倾向性的岩体工程的支护技术。

背景技术

锚杆支护是矿山、隧洞、边坡等岩土工程稳定性控制的一种重要手段。相关科技人员在锚杆支护的研究与应用过程中，开发了数目众多的各种锚杆并成功地解决了大量的工程支护问题。然而，现有的大多数锚杆都难以适应高应力大变形和具有冲击倾向性的岩体工程。根据这类岩体工程的应力与变形特点，较有效的锚杆形式是具有让压特性的高强锚杆。其基本要求是既要有足够的变形能力以适应围岩大变形，又要在变形过程中持续提供较高的锚固力。目前常用的此类锚杆主要有恒阻大变形锚杆和让压管锚杆。

恒阻大变形锚杆由恒阻装置、杆体、托盘和螺母组成。其中，恒阻装置包括恒阻套管和恒阻体，并且恒阻套管内表面和杆体的外表面均为螺纹结构。恒阻装置套装于杆体的尾部，托盘和螺母依次安装在恒阻装置的尾部。当施加于杆体上的轴力大于或等于恒阻大变形锚杆的设计恒阻力时，恒阻装置内的恒阻体沿着套管内壁发生摩擦滑移，在滑移过程中保持恒阻特性，依靠恒阻装置的结构变形来抵抗岩体的变形破坏。这种锚杆在一定条件下能起到较好的让压和抗冲击作用，然而由于需要在锚杆的杆体头部和恒阻套管处分别进行粘结锚固，给锚杆安装造成了很大的困难，而且一旦粘结锚固段发生破断或松脱将导致整个锚杆的失效。因此，该锚杆存在安装困难和可靠性低的缺陷。

让压管锚杆由高强杆体、让压管、托盘以及螺母等部件组成。与普通的锚杆相比，该让压锚杆在锚杆尾部增加了一个具有让压功能的让压管。根据大变形围岩条件的不同，让压管可以设计制造成不同的规格。这种锚杆虽然具有较好的防冲击效果，但一方面由于让压管位于外锚端，使让压管的长度即让压变形量受到很大限制，另一方面为了发挥让压作用而不能采用全长锚固方式，一旦粘结锚固段发生破断或松脱也将导致整个锚杆的失效。因此，该锚杆存在让压变形量有限和可靠性低的问题。

综上所述，现有的各种锚杆类型应用于高应力大变形和具有冲击倾向性的岩体工程时都存在一些问题，因此有必要研发一种适应性更强和可靠性更高的锚杆。

发明内容

本发明的目的是为了解决高应力大变形围岩和冲击倾向性围岩的支护难题，提供一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆及其组装方法。

本发明采用的技术方案为：一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，该组合锚杆分为外锚模块和内锚模块；

所述外锚模块包括一套锚管、锚管之间的锚墩、外锚端；一套锚管包括一根头部锚管、若干根中部锚管、一根尾部锚管；所述锚墩两端分别与锚管通过螺纹连接，每两个相邻锚墩之间的部分为一个锚固段；所述外锚端包括锚盘、预紧弹簧、锚环和螺母，所述锚环与尾部锚管通过螺纹连接，锚环细部外围套有一个预紧弹簧，预紧弹簧紧贴锚盘的外端面，在预警弹簧的作用下锚盘的内端面压紧于围岩表面，锚环外端面紧贴螺母；

所述内锚模块处于外锚模块形成的密封空间内部，内锚模块包括螺杆、锚墩、内锚弹簧和挡环；所述锚墩和内锚弹簧套设于螺杆上，内锚弹簧的一端位于锚墩中心孔边缘的弹簧卡槽内，另一端被所述挡环限定于螺杆上，挡环与螺杆之间为螺纹连接，所述挡环和螺母的一端均设有阻止其沿弹簧伸长方向移动的防松胶圈；

所述外锚模块和内锚模块之间通过锚墩和外锚端组合成一个整体。

作为优选，根据锚杆的长度需求，所述螺杆可以是一整根，也可以采用连接套管将多根连接而成。

作为优选，所述组合锚杆的所有构件中除了锚墩的外螺纹为左旋螺纹外，其余构件的螺纹均为右旋螺纹。

作为优选，所述锚墩中心圆孔的直径与内锚弹簧的内径相同，都略大于螺杆外径；锚管的内径略大于挡环的外径；锚盘中心孔的直径略大于锚管的外径；预紧弹簧的内径略大于锚环细部的外径。

本发明外锚模块由多根锚管和多个锚墩通过螺纹连接而成，内锚模块由多根弹簧和多个挡环通过螺杆串接而成并处于外锚模块形成的密封空间内部，内外锚固模块之间通过锚墩和外锚端组合成有机的整体。选择不同数量和不同规格(尺寸和力学性能)的构件，可以组装出具有不同长度和锚固性能(强度、刚度和变形能力)的锚杆，以满足各种工程条件的支护需求。每个挡环和螺母的一端都有一个防松胶圈，使挡环或螺母只能沿一个方向移动而不能反向松脱。预紧弹簧在锚环的推动下将锚盘压紧于围岩表面，以此提供定量的锚杆预紧力。每两个相邻锚墩之间的部分为一个锚固段，某个锚固段的破坏不会造成整根锚杆的失效。当某个锚固段的锚管断裂失效后其内部的螺杆随即承担锚固作用，此时与螺杆相连的多个内锚弹簧一方面起到缓冲作用以避免螺杆被拉断，另一方面将螺杆所受荷载较均匀地分配到锚管断裂点两端的多个锚墩以避免个别锚墩受到过大的集中应力而遭到破坏。

上述一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆的组装方法，包括以下步骤：

第一步：所述组合锚杆的装配从螺杆中部开始往两端依次进行，首先依次装配螺杆中部的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈；

第二步：接着装配中部锚墩两端的中部锚管，然后依次装配两端的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈。

第三步：再接着装配头部锚管和尾部锚管，最后依次装配外锚端的锚盘、预紧弹簧、锚环、螺母和防松胶圈。

本发明的有益效果在于：

(1)分段锚固，锚固性能可靠。每两个相邻锚墩之间的部分为一个锚固段，某个锚固段的破坏不会造成整根锚杆的失效。当某个锚固段的锚管断裂失效后其内部的螺杆随即承担锚固作用，此时与螺杆相连的多个内锚弹簧一方面起到缓冲作用以避免螺杆被拉断，另一方面将螺杆所受荷载较均匀地分配到锚管断裂点两端的多个锚墩以避免个别锚墩受到过大的集中应力而遭到破坏。

(2)模块化结构，易于组装、适应性强。每根锚杆分为外锚模块和内锚模块，外锚模块由多根锚管和多个锚墩通过螺纹连接而成，内锚模块由多根弹簧和多个挡环通过螺杆串接而成，内外锚固模块之间通过锚墩和外锚端组合成有机的整体。各构件之间连接简单，组装方便；选择不同数量和不同规格(尺寸和力学性能)的构件，可以组装出具有不同长度和锚固性能(强度、刚度和变形能力)的锚杆，以满足各种工程条件的支护需求。

(3)多阶承载，锚固强度高、抗冲击和适应变形能力强。本发明在工作的不同阶段，将由高强锚管、内锚弹簧和高强螺杆依次起主导承载作用，使得每两个相邻锚墩之间的锚固段都具有初次高强锚固、弹性缓冲和二次高强锚固的“抗、让、抗”三阶承载特性，而且在抗冲击的让压过程中所有锚固段加上外锚端的预紧弹簧同时参与作用，能很好地适应高应力大变形围岩和冲击倾向性围岩的支护。

(4)内锚模块处于外锚模块的密封空间，防腐蚀能力强、寿命长，易于对锚杆工况和工程安全性进行长期监测。锚杆的外锚模块很容易实现密封，内锚弹簧和螺杆等构件在锚管破裂之前处于外锚模块的密闭空间内，能有效避免腐蚀破坏，加上构件本身的防腐蚀处理能大大延长锚杆的服务年限；此外，在锚管内布设传感器能避免外界干扰和过早破坏，实现锚杆工况与工程安全状况的长期监测。

(5)安装简单快捷，预紧力施加方便、准确、可靠。本发明的安装过程与普通全长粘结式螺纹钢锚杆的安装一样简单快捷；区别在于本发明的预紧力通过拧动锚环和螺母使预紧弹簧产生一定的压缩量来准确施加，可以克服普通锚杆的预紧力极易衰减的缺点，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明组合锚杆的结构示意图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为图1中B处的放大图；

图4为本发明组合锚杆的锚墩结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明组合锚杆的挡环结构示意图；

图7为图6中侧视图；

图8为本发明组合锚杆的锚环结构示意图；

图9为图8中侧视图；

图10为本发明组合锚杆的螺母结构示意图；

图11为图10中侧视图；

图12为本发明装配步骤一示意图；

图13为本发明装配步骤二示意图；

图14为本发明装配步骤三示意图；

图15为本发明工作时锚管断裂前、后对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1-11所示，一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，该组合锚杆分为外锚模块和内锚模块；所述外锚模块包括一套锚管、锚管之间的锚墩3、外锚端；一套锚管包括一根头部锚管21、若干根中部锚管22、一根尾部锚管23；所述锚墩3两端分别与锚管通过螺纹连接，每两个相邻锚墩3之间的部分为一个锚固段；所述外锚端包括锚盘7、预紧弹簧8、锚环9和螺母10，所述锚环9与尾部锚管23通过螺纹连接，锚环9细部外围套有一个预紧弹簧8，预紧弹簧8紧贴锚盘7的外端面，在预紧弹簧8的作用下锚盘7的内端面压紧于围岩表面，锚环9外端面紧贴螺母10；所述内锚模块处于外锚模块形成的密封空间内部，内锚模块包括螺杆1、锚墩3、内锚弹簧4和挡环5；所述锚墩3和内锚弹簧4套设于螺杆1上，内锚弹簧的一端位于锚墩3中心孔边缘的弹簧卡槽内，另一端被所述挡环5限定于螺杆1的一定长度范围内，挡环5与螺杆1之间为螺纹连接，所述挡环5和螺母10的一端均设有阻止其沿弹簧伸长方向移动的防松胶圈6；所述外锚模块和内锚模块之间通过锚墩和外锚端组合成一个整体。

根据锚杆的长度需求，所述螺杆1可以是一整根，也可以采用连接套管将多根连接而成。所述组合锚杆的所有构件中除了锚墩3的外螺纹为左旋螺纹外，其余构件的螺纹均为右旋螺纹。所述锚墩3中心圆孔的直径与内锚弹簧4的内径相同，都略大于螺杆1的外径；锚管的内径略大于挡环5的外径；锚盘7中心孔的直径略大于锚管的外径；预紧弹簧8的内径略大于锚环9细部的外径。

上述一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆的组装方法，包括以下步骤：

如图12所示，第一步：所述组合锚杆的装配从螺杆中部开始往两端依次进行，首先依次装配螺杆中部的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈；

如图13所示，第二步：接着装配中部锚墩两端的中部锚管，然后依次装配两端的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈。

如图14所示，第三步：再接着装配头部锚管和尾部锚管，最后依次装配外锚端的锚盘、预紧弹簧、锚环、螺母和防松胶圈。

本发明工作原理及过程：

本发明是分段式模块化的全长粘结式管锚杆(外锚模块)与抗冲击压力分散型锚杆(内锚模块)的有机组合体。其基本原理是：每两个相邻锚墩之间的部分为一个锚固段；外锚模块由外锚端、锚管及其连接件锚墩组成，通过锚固剂与钻孔壁粘结起到全长粘结式锚杆的作用；内锚模块由外锚端、锚墩、弹簧和螺杆组成，螺杆在外锚端的牵引下压缩内锚弹簧，将锚固力分散作用于各个锚墩，锚墩再将该作用力以压力的形式传递给锚固剂，从而起到压力分散型锚杆的作用；内锚模块在锚管断裂前与外锚模块呈并联关系，对围岩起到辅助锚固作用，在锚管断裂后对围岩进行缓冲让压与及时的二次高强支护。在工作的不同阶段，各个锚固段将由高强锚管、内锚弹簧和高强螺杆依次起主导承载作用，使得每个锚固段都具有高强锚固、弹性缓冲和二次高强锚固的“抗、让、抗”三阶承载特性，而且各个锚固段之间既相对独立又紧密联系，实现了在确保锚杆自身稳定性的条件下对围岩进行长期有效的维护。

以三个锚固段的锚杆为例，其工作原理和过程如图15所示。图中l_t1、l_t2、l_t3分别表示头部锚固段、中部锚固段和尾部锚固段的锚管(tube)有效长度，l_s1、l_s2、l_s3分别表示头部锚固段、中部锚固段和尾部锚固段的弹簧(spring)有效长度，l_r1、l_r2、l_r3分别表示头部锚固段、中部锚固段和尾部锚固段的螺杆(rod)有效长度，δ_burst表示尾部锚管断裂后锚杆突然增加的伸长量。

设内锚弹簧的弹性系数分别为k₁、k₂、k₃，压缩变形量分别为Δl_s1、Δl_s2、Δl_s3，对锚墩的作用力分别为F_s1、F_s2、F_s3，则根据胡克定律可得，由于弹簧压缩变形对锚墩的作用力计算公式为：

F_s1＝k₁·Δl_s1 (1)

F_s2＝k₂·Δl_s2 (2)

F_s3＝k₃·Δl_s3 (3)

设螺杆的变形模量为E，横截面有效面积为S，各段变形量分别为Δl_r1、Δl_r2、Δl_r3，轴力分别为F_r1、F_r2、F_r3，则各段螺杆的轴力计算公式为：

F_r1＝E·S·Δl_r1/l_r1 (4)

F_r2＝E·S·Δl_r2/l_r2 (5)

F_r3＝E·S·Δl_r3/l_r3 (6)

根据受力平衡关系，弹簧对锚墩的作用力与螺杆轴力间存在以下关系：

F_r1＝F_s1 (7)

F_r2＝F_r1+F_s2 (8)

F_r3＝F_r2+F_s3 (9)

根据式(1)、(4)、(7)可得k₁·Δl_s1＝E·S·Δl_r1/l_r1。为了使弹簧在达到其极限压缩量之前起到有效的缓冲让压作用以避免螺杆过早破断，必须让螺杆的变形量Δl_r1大大小于弹簧压缩量Δl_s1，也就是要求螺杆的刚度E·S/l_r1远大于内锚弹簧的刚度k₁。

第一阶承载为初次高强锚固阶段，从锚杆安装到锚管断裂之前，整根锚杆的锚固特性主要取决于锚管的粘结支护特性。在此期间主要由外锚模块各锚固段的高强锚管以全长粘结式锚杆的形式对围岩进行锚固，同时内锚模块以压力分散型锚杆的形式对围岩起辅助支护作用。

设各段锚管在围岩变形作用下的伸长量分别为Δl_t1、Δl_t2、Δl_t3，以头部锚固段的锚墩为固定参照点，其他锚墩随锚管伸长一起往钻孔外移动，根据各构件之间的变形协调关系可得锚管、内锚弹簧及螺杆的变形量之间存在如下关系式：

Δl_t1+Δl_t2+Δl_t3＝Δl_r1+Δl_r2+Δl_r3+Δl_s1 (10)

Δl_s2＝Δl_s1+Δl_r1-Δl_t1 (11)

Δl_s3＝Δl_s1+Δl_r1+Δl_r2-Δl_t1-Δl_t2 (12)

根据以上各式和实际测得的构件变形量，即可获得内锚模块的锚固力大小及其分布情况，据此可对锚杆构件的参数进行优化设计以确保锚杆在各种具体工程条件下都具有最优的结构稳定性和支护有效性。

第二阶承载为缓冲让压阶段，从锚管断裂到内锚弹簧达到极限压缩量期间，锚管断裂段的锚固特性取决于弹簧的承载特性，其余锚固段仍由粘结式锚管起主导作用。当某段锚管断裂时，该处将由外锚模块和内锚模块共同承载转为仅由内锚模块承载，导致锚固力突然下降，必然引起断裂点两侧的围岩发生突变位移δ_burst。由于内锚弹簧的刚度远小于螺杆的刚度，弹簧将产生较大的压缩变形以吸收围岩的大部分能量，同时弹簧通过锚墩作用于围岩的锚固力迅速增大，从而起到了缓冲让压与及时的二次加强支护的作用。此外，外锚端的预紧弹簧在围岩和锚盘的推动下产生一定的压缩变形也会吸收部分冲击变形能，起到辅助缓冲让压的作用。

设此过程中各内锚弹簧的压缩量分别为Δl′_s1、Δl′_s2、Δl′_s3，各段螺杆的变形量分别为Δl′_r1、Δl′_r2、Δl′_r3，根据各构件之间的变形协调关系可得如下关系式：

Δl′_r1+Δl′_r2+Δl′_r3+Δl′_s1＝δ_burst (13)

Δl′_s2＝Δl′_s1+Δl′_r1 (14)

Δl′_s3＝Δl′_s2+Δl′_r2 (15)

由此可知，缓冲期间新增的弹簧压缩量大小关系为Δl′_s1＜Δl′_s2＜Δl′_s3，也就是说距离断裂位置越近的内锚弹簧压缩量越大。

第三阶承载为二次高强锚固阶段，始于内锚弹簧达到极限压缩量之后，在此期间锚管断裂段的锚固特性取决于螺杆的承载特性，其余锚固段仍由粘结式锚管起主导作用。当内锚弹簧达到极限压缩量之后，它对锚墩的作用力不再受弹簧的力学参数影响而仅取决于螺杆的应力-应变关系曲线以及各段螺杆所处的变形状态。经过初次高强锚固和缓冲让压阶段后，各锚固段的螺杆往往已经发生了较大的变形而处于较高的应力状态，从而可对围岩进行及时的二次高强支护。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，其特征在于：该组合锚杆分为外锚模块和内锚模块；

所述外锚模块包括一套锚管、锚管之间的锚墩、外锚端；一套锚管包括一根头部锚管、若干根中部锚管、一根尾部锚管；所述锚墩两端分别与锚管通过螺纹连接，每两个相邻锚墩之间的部分为一个锚固段；所述外锚端包括锚盘、预紧弹簧、锚环和螺母，所述锚环与尾部锚管通过螺纹连接，锚环细部外围套有一个预紧弹簧，预紧弹簧紧贴锚盘的外端面，在预警弹簧的作用下锚盘的内端面压紧于围岩表面，锚环外端面紧贴螺母；

所述内锚模块处于外锚模块形成的密封空间内部，内锚模块包括螺杆、锚墩、内锚弹簧和挡环；所述锚墩和内锚弹簧套设于螺杆上，内锚弹簧的一端位于锚墩中心孔边缘的弹簧卡槽内，另一端被所述挡环限定于螺杆上，挡环与螺杆之间为螺纹连接，所述挡环和螺母的一端均设有阻止其沿弹簧伸长方向移动的防松胶圈；

所述外锚模块和内锚模块之间通过锚墩和外锚端组合成一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，其特征在于：所述螺杆是一整根，或采用连接套管将多根连接而成。

3.根据权利要求1所述的一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，其特征在于：所述组合锚杆的所有构件中除了锚墩的外螺纹为左旋螺纹外，其余构件的螺纹均为右旋螺纹。

4.根据权利要求1所述的一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆，其特征在于：所述锚墩中心圆孔的直径与内锚弹簧的内径相同，都略大于螺杆外径；锚管的内径略大于挡环的外径；锚盘中心孔的直径略大于锚管的外径；预紧弹簧的内径略大于锚环细部的外径。

5.根据权利要求1所述的一种分段式模块化抗大变形和抗冲击组合锚杆的组装方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：所述组合锚杆的装配从螺杆中部开始往两端依次进行，首先依次装配螺杆中部的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈；

第二步：接着装配中部锚墩两端的中部锚管，然后依次装配两端的锚墩、内锚弹簧、挡环及防松胶圈；

第三步：再接着装配头部锚管和尾部锚管，最后依次装配外锚端的锚盘、预紧弹簧、锚环、螺母和防松胶圈。